童其林
作為一種數(shù)學(xué)思想方法,數(shù)形結(jié)合的應(yīng)用大致又可分為兩種情形:或者借助于數(shù)的精確性來闡明形的某些屬性,或者借助形的幾何直觀性來闡明數(shù)之間某種關(guān)系,即數(shù)形結(jié)合包括兩個(gè)方面:第一種情形是“以數(shù)解形”,而第二種情形是“以形助數(shù)”.“以數(shù)解形”就是有些圖形太過于簡單,直接觀察卻看不出什么規(guī)律來,這時(shí)就需要給圖形賦值,如邊長、角度等等,特別是在做選擇題時(shí),只有一個(gè)答案是正確答案,用此種方法就可能起到意想不到的效果.“以形助數(shù)”是指把抽象的數(shù)學(xué)語言轉(zhuǎn)化為直觀的圖形,可避免繁雜的計(jì)算,獲得出奇制勝的解法.“以形助數(shù)”中的“形”,或有形或無形.若有形,則可為圖表與模型,若無形,則可另行構(gòu)造或聯(lián)想.因此“以形輔數(shù)”的途徑大體有三種:一是運(yùn)用圖形;二是構(gòu)造圖形;三是借助于代數(shù)式的幾何意義.但由于構(gòu)造圖形的誤差,或者“無中生有”的不準(zhǔn)確,有時(shí)可能會出現(xiàn)一些錯誤.本文就運(yùn)用數(shù)形結(jié)合時(shí)容易出現(xiàn)的失誤做個(gè)簡單的歸類分析,希望引起你的重視.
1. 潦草作圖而導(dǎo)出的錯誤
在同一坐標(biāo)系中作幾個(gè)函數(shù)的圖像來比較時(shí),我們一定要注意函數(shù)圖像的延伸趨勢以及伸展“速度”.因?yàn)槲覀儺嫵龅闹皇呛瘮?shù)圖像的一小部分,而不是全部.常言到“知人知面不知心”,同樣的,我們從函數(shù)圖像的部分而知道它的全部,在沒畫出來的部分圖像是怎么樣的呢?我們只有根據(jù)函數(shù)圖像的延伸趨勢以及伸展“速度”來判斷了.
例1. 判斷命題“當(dāng)a>1時(shí),關(guān)于x的方程ax=log a x無實(shí)數(shù)解”是否正確?
錯解:在同一坐標(biāo)系中,分別畫出函數(shù) y=ax(a>1)及y=log a x(a>1)的圖像,如圖1所示,可見它們沒有公共點(diǎn),所以方程確無實(shí)數(shù)解,故命題正確.
剖析:實(shí)際上對不同的實(shí)數(shù)a,y=ax及y=log a x的圖像的延伸趨勢不同,例如當(dāng)a = 2時(shí),原方程無實(shí)數(shù)解;而當(dāng)a = 時(shí) ,x = 2 便是原方程的解.上面的錯解就是潦草作圖,而畫出了個(gè)有誤差的圖形,并且想當(dāng)然地根據(jù)圖形而不去注意函數(shù)圖像的延伸趨勢而造成的.
事實(shí)上,我們還可以通過幾何畫板的演示(參數(shù)a可動態(tài)控制),在同一坐標(biāo)系中作出函數(shù)y=ax和函數(shù)y=log a x(a>0,a≠1)的圖像,當(dāng)a非常小時(shí)它們有三個(gè)交點(diǎn),此時(shí),方程ax=log a x解的有3個(gè).
例2. 比較2n與 n2(n 大于1的自然數(shù))的大小.
錯解:在同一坐標(biāo)系中分別畫出函數(shù)y=2x及y=x2的圖像,如圖2所示,由圖可知,兩個(gè)圖像有一個(gè)公共點(diǎn).當(dāng)x=2時(shí),2x=x2,當(dāng)x > 2時(shí)有2x 剖析:事實(shí)上,當(dāng)n= 4時(shí),2n與 n2,也相等;n= 5時(shí),2n>n2.錯解是因?yàn)闆]有充分注意到兩圖像的遞增“速度”!要比較兩個(gè)圖像的遞增速度,確實(shí)很難由圖像直觀而得.本題可以先猜想,后用數(shù)學(xué)歸納法證明.本題的正確答案是 當(dāng)n=2,4時(shí)2n=n2,當(dāng)n=3時(shí) ,2n 例3.(2013年高考·福建卷,文22題改編)已知函數(shù)f(x)=x-1+(a∈R,e為自然對數(shù)的底數(shù)).當(dāng)a=1時(shí),若直線l:y=kx-1與曲線y=f(x)沒有公共點(diǎn),求k的最大值. 解析:由題意,方程kx-1=x-1+無解,顯然x=0不是方程的解,故分離參數(shù)后的方程k=1+無解.令g(x)=1+(x≠0),則g′(x)=,所以g(x)在(-∞,-1)上單調(diào)遞增,在(-1,0)和(0,+∞)上單調(diào)遞減,在x=-1處取到極大值g(-1)=1-e.又當(dāng)x→0+時(shí),g(x)→+∞;當(dāng)x→0-時(shí),g(x)→-∞;當(dāng)x→+∞時(shí),g(x)→1;當(dāng)x→-∞時(shí),g(x)→-∞,即直線x=0和y=1是函數(shù)g(x)的兩條漸近線,所以g(x)的大致圖像如圖3.由題意知,直線y=k與函數(shù)g(x)的圖像無交點(diǎn),觀察圖像易知,k∈(1-e,1],故kmax=1. 點(diǎn)評:本題為含參函數(shù)的零點(diǎn)問題,解決這類問題的常用方法是分離參數(shù)之后轉(zhuǎn)化為等式兩邊的函數(shù)圖像是否有交點(diǎn)問題,因此準(zhǔn)確的作圖至關(guān)重要.但考生在用導(dǎo)數(shù)法研究函數(shù)圖像的變化趨勢時(shí),通常只關(guān)注函數(shù)的單調(diào)性與極值,而對函數(shù)圖像是否存在漸近線意識淡薄,因而常常造成作圖錯誤.本題中函數(shù)g(x)在x=0處沒有定義,考生通常僅將此點(diǎn)在函數(shù)圖像上“挖空”,表示函數(shù)圖像在此處“中斷”,而不會意識到x=0是函數(shù)圖像的漸近線.這是缺乏極限意識的表現(xiàn).因此,要糾正上述錯誤,須樹立極限意識,即在探明函數(shù)單調(diào)性之后,還要對單調(diào)區(qū)間兩端的“斷點(diǎn)”處分別求極限,以了解函數(shù)圖像的走勢與范圍,如此方可給圖像以相對準(zhǔn)確的定位,避免作圖的隨意性. 2. 定義域擴(kuò)大或縮小引起的錯誤 例4. 設(shè)t>0,求點(diǎn)A(+,-)與點(diǎn)B(-1, 0)之間距離的最小值. 解析:由點(diǎn)A(+,-)可知點(diǎn)A的軌跡為x2-y2=4,如圖4所示,可知|AB|的最小值為1.其實(shí)這是錯誤的,原因就是忽視了變的量取值范圍,由t>0知x≥2,正確的圖像應(yīng)該是圖5的右圖,可知其最小值為3. 點(diǎn)評:定義域是一個(gè)變量的最大范圍,如果不注意轉(zhuǎn)化過程是否是等價(jià)的過程,那么變量的定義域就有可能擴(kuò)大或縮小了,這樣,畫出來的圖像就會多出一部分或者少了一角,而根據(jù)這樣有誤差的圖像,做出來的結(jié)果是會不準(zhǔn)確的,那就是白做了這道題,所以注意轉(zhuǎn)化過程要等價(jià)是關(guān)鍵的.不論是否注意到轉(zhuǎn)化過程要等價(jià),我們最好能做好一道題,就再用另外一種方法驗(yàn)證一下所得到的答案是否準(zhǔn)確,這樣才會有信心地保證做完一題就一定正確. 3.“無中生有” 引起的錯誤 例5. 若圓(x-a)2+y2=4與拋物線y2=6x沒有公共點(diǎn),求a的取值范圍. 錯解:由于圓的半徑為2,當(dāng)圓與拋物線外切時(shí),a=-2,于是,a<-2時(shí),圓與拋物線沒有公共點(diǎn).
當(dāng)圓與拋物線內(nèi)切時(shí),由
(x-a)2+y2=4,y2=6x,得:
x2-(2a-6)x+a2-4=0… ①
=(2a-6)2-4(a2-4)=0,解得a=. 所以a<-2或a≥.
剖析:把a(bǔ)=代入方程①得3x2+5x+=0,此時(shí),解為x=-是負(fù)根,顯然, 圓與拋物線不能內(nèi)切. 所以圓內(nèi)切于拋物線的情況根本不存在,圖中圓內(nèi)切于拋物線是虛構(gòu)的.
因此,對x<0,可以用圖形幫助解決(如圖6),而對x≥0,則需要用計(jì)算的方法.
當(dāng)x≥0時(shí),本題等價(jià)于圓心(a,0)到拋物線的距離d的最小值大于2,求a的取值范圍.
d2=(x-a)2+y2=(x-a)2+6x=x2-(2a-6)x+a2=[x-(a-3)]2+6a-9. 設(shè)f(x)=[x-(a-3)]2+6a-9,(x≥0).
當(dāng)a-3>0,即a>3時(shí),f(a-3)最小,所以dmin=>2,解得a>,考慮到a>3,所以a>3.
當(dāng)a-3≤0即a≤3時(shí),f(0)最小,所以dmin=a>2,此時(shí)為2 綜合以上,得a>2. 于是, 圓(x-a)2+y2=4與拋物線y2=6x沒有公共點(diǎn)時(shí),a的取值范圍為a<-2或a>2. 4. 漏掉了一些可能的情形引起的錯誤 例6. 已知關(guān)于x ,y 的方程組+=1,y=x2-c2,(a>b>0,c>0)有四組實(shí)數(shù)解,求a,b,c應(yīng)滿足的關(guān)系.
A. [2,+∞) B. (1,2) C. (1,2] D. (0,1)
5.(2013朝陽一模)函數(shù)f(x)是定義在R上的偶函數(shù),且滿足f(x+2)=f(x). 當(dāng)x∈[0,1]時(shí),f(x)=2x.若在區(qū)間[-2,3]上方程ax+2a-f(x)=0恰有四個(gè)不相等的實(shí)數(shù)根,則實(shí)數(shù)a的取值范圍是 .
6. (2013年濱州一模理)定義在R上的奇函數(shù)f(x),當(dāng)x≥0時(shí),f(x)=log(x+1),x∈[0,1)1-|x-3|,x∈[1,+∞)則關(guān)于x的函數(shù)F(x)=f(x)-a(0 7. 若關(guān)于x的方程x2-2kx-3k=0的兩根都在1與3之間,求k的取值范圍? 8. (2013年高考·江蘇卷,理26題改編)設(shè)函數(shù)f(x)=lnx-ax, g(x)=ex-ax,其中a為實(shí)數(shù).若g(x)在(-1,+∞)上是單調(diào)增函數(shù),試求f(x)的零點(diǎn)的個(gè)數(shù),并證明你的結(jié)論. 你來做做參考答案: 1. 注意當(dāng)∈(0,)時(shí),有sin< 2. 由于|2sinx|≤2,而||≤2,則-8≤x≤8,因此,只需畫出[-3,3]的圖像即可. 有的同學(xué)觀察圖像(圖10),得出有7個(gè)交點(diǎn),實(shí)際上,觀察得不夠仔細(xì),因?yàn)楫?dāng)x=8時(shí),=2,而當(dāng)x=<8時(shí),2sinx=2,所以點(diǎn)(x,2)不是兩個(gè)函數(shù)圖像的交點(diǎn),故在[2,3]上, 兩個(gè)函數(shù)圖像有兩個(gè)交點(diǎn),而不是一個(gè)交點(diǎn),因此,方程=2sinx的解的個(gè)數(shù)為9而不是7.選D. 3. 如圖11,要使可行域存在,必有m<-2m+1,要求可行域內(nèi)包含直線y=x-1上的點(diǎn),只要邊界點(diǎn)(-m,1-2m)在直線y=x-1上方,且(-m,m)在直線y=x-1下方,解不等式組m<1-2m,1-2m>-m-1m<-m-1,,得m<-. 選C. 4. B. 5. 由f(x+2)=f(x)得函數(shù)的周期是2.由ax+2a-f(x)=0得f(x)=ax+2a,設(shè)y=f(x),y=ax+2a,作出函數(shù)y=f(x),y=ax+2a的圖像,如圖12,要使方程ax+2a-f(x)=0恰有四個(gè)不相等的實(shí)數(shù)根,則直線y=ax+2a=a(x+2)的斜率滿足kAH 6. 作出函數(shù)f(x)的圖像,如圖13,當(dāng)0 7. 令f(x)=x2+2kx-3k,如圖14所示,其圖像與x軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是方程f(x)=0的解,要使兩根都在1,3之間,只需f(1)>0, f(3)>0, f()=f(-k)<0,1<-k<3同時(shí)成立,解得-3 8.由題意,g′(x)=ex-a≥0對一切x∈(-1,+∞)恒成立,所以a≤(ex)min=.令f(x)=0并分離參數(shù)得a=,令h(x)=,則h′(x)=,易知函數(shù)h(x)在(0,e)單調(diào)遞增,在(e,+∞)上單調(diào)遞減,在x=e處有極大值h(e)=.又當(dāng)x→0+時(shí),h(x)→-∞;當(dāng)時(shí)x→+∞,h(x)→0,即直線x=0和y=0(即x軸)是函數(shù)g(x)的兩條漸近線,所以g(x)的大致圖像如圖15.觀察圖像即知:當(dāng)a=或a≤0時(shí),f(x)的零點(diǎn)個(gè)數(shù)為1;當(dāng)0 (作者單位:福建省永定縣城關(guān)中學(xué)) 責(zé)任編校 徐國堅(jiān)
A. [2,+∞) B. (1,2) C. (1,2] D. (0,1)
5.(2013朝陽一模)函數(shù)f(x)是定義在R上的偶函數(shù),且滿足f(x+2)=f(x). 當(dāng)x∈[0,1]時(shí),f(x)=2x.若在區(qū)間[-2,3]上方程ax+2a-f(x)=0恰有四個(gè)不相等的實(shí)數(shù)根,則實(shí)數(shù)a的取值范圍是 .
6. (2013年濱州一模理)定義在R上的奇函數(shù)f(x),當(dāng)x≥0時(shí),f(x)=log(x+1),x∈[0,1)1-|x-3|,x∈[1,+∞)則關(guān)于x的函數(shù)F(x)=f(x)-a(0 7. 若關(guān)于x的方程x2-2kx-3k=0的兩根都在1與3之間,求k的取值范圍? 8. (2013年高考·江蘇卷,理26題改編)設(shè)函數(shù)f(x)=lnx-ax, g(x)=ex-ax,其中a為實(shí)數(shù).若g(x)在(-1,+∞)上是單調(diào)增函數(shù),試求f(x)的零點(diǎn)的個(gè)數(shù),并證明你的結(jié)論. 你來做做參考答案: 1. 注意當(dāng)∈(0,)時(shí),有sin< 2. 由于|2sinx|≤2,而||≤2,則-8≤x≤8,因此,只需畫出[-3,3]的圖像即可. 有的同學(xué)觀察圖像(圖10),得出有7個(gè)交點(diǎn),實(shí)際上,觀察得不夠仔細(xì),因?yàn)楫?dāng)x=8時(shí),=2,而當(dāng)x=<8時(shí),2sinx=2,所以點(diǎn)(x,2)不是兩個(gè)函數(shù)圖像的交點(diǎn),故在[2,3]上, 兩個(gè)函數(shù)圖像有兩個(gè)交點(diǎn),而不是一個(gè)交點(diǎn),因此,方程=2sinx的解的個(gè)數(shù)為9而不是7.選D. 3. 如圖11,要使可行域存在,必有m<-2m+1,要求可行域內(nèi)包含直線y=x-1上的點(diǎn),只要邊界點(diǎn)(-m,1-2m)在直線y=x-1上方,且(-m,m)在直線y=x-1下方,解不等式組m<1-2m,1-2m>-m-1m<-m-1,,得m<-. 選C. 4. B. 5. 由f(x+2)=f(x)得函數(shù)的周期是2.由ax+2a-f(x)=0得f(x)=ax+2a,設(shè)y=f(x),y=ax+2a,作出函數(shù)y=f(x),y=ax+2a的圖像,如圖12,要使方程ax+2a-f(x)=0恰有四個(gè)不相等的實(shí)數(shù)根,則直線y=ax+2a=a(x+2)的斜率滿足kAH 6. 作出函數(shù)f(x)的圖像,如圖13,當(dāng)0 7. 令f(x)=x2+2kx-3k,如圖14所示,其圖像與x軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是方程f(x)=0的解,要使兩根都在1,3之間,只需f(1)>0, f(3)>0, f()=f(-k)<0,1<-k<3同時(shí)成立,解得-3 8.由題意,g′(x)=ex-a≥0對一切x∈(-1,+∞)恒成立,所以a≤(ex)min=.令f(x)=0并分離參數(shù)得a=,令h(x)=,則h′(x)=,易知函數(shù)h(x)在(0,e)單調(diào)遞增,在(e,+∞)上單調(diào)遞減,在x=e處有極大值h(e)=.又當(dāng)x→0+時(shí),h(x)→-∞;當(dāng)時(shí)x→+∞,h(x)→0,即直線x=0和y=0(即x軸)是函數(shù)g(x)的兩條漸近線,所以g(x)的大致圖像如圖15.觀察圖像即知:當(dāng)a=或a≤0時(shí),f(x)的零點(diǎn)個(gè)數(shù)為1;當(dāng)0 (作者單位:福建省永定縣城關(guān)中學(xué)) 責(zé)任編校 徐國堅(jiān)
A. [2,+∞) B. (1,2) C. (1,2] D. (0,1)
5.(2013朝陽一模)函數(shù)f(x)是定義在R上的偶函數(shù),且滿足f(x+2)=f(x). 當(dāng)x∈[0,1]時(shí),f(x)=2x.若在區(qū)間[-2,3]上方程ax+2a-f(x)=0恰有四個(gè)不相等的實(shí)數(shù)根,則實(shí)數(shù)a的取值范圍是 .
6. (2013年濱州一模理)定義在R上的奇函數(shù)f(x),當(dāng)x≥0時(shí),f(x)=log(x+1),x∈[0,1)1-|x-3|,x∈[1,+∞)則關(guān)于x的函數(shù)F(x)=f(x)-a(0 7. 若關(guān)于x的方程x2-2kx-3k=0的兩根都在1與3之間,求k的取值范圍? 8. (2013年高考·江蘇卷,理26題改編)設(shè)函數(shù)f(x)=lnx-ax, g(x)=ex-ax,其中a為實(shí)數(shù).若g(x)在(-1,+∞)上是單調(diào)增函數(shù),試求f(x)的零點(diǎn)的個(gè)數(shù),并證明你的結(jié)論. 你來做做參考答案: 1. 注意當(dāng)∈(0,)時(shí),有sin< 2. 由于|2sinx|≤2,而||≤2,則-8≤x≤8,因此,只需畫出[-3,3]的圖像即可. 有的同學(xué)觀察圖像(圖10),得出有7個(gè)交點(diǎn),實(shí)際上,觀察得不夠仔細(xì),因?yàn)楫?dāng)x=8時(shí),=2,而當(dāng)x=<8時(shí),2sinx=2,所以點(diǎn)(x,2)不是兩個(gè)函數(shù)圖像的交點(diǎn),故在[2,3]上, 兩個(gè)函數(shù)圖像有兩個(gè)交點(diǎn),而不是一個(gè)交點(diǎn),因此,方程=2sinx的解的個(gè)數(shù)為9而不是7.選D. 3. 如圖11,要使可行域存在,必有m<-2m+1,要求可行域內(nèi)包含直線y=x-1上的點(diǎn),只要邊界點(diǎn)(-m,1-2m)在直線y=x-1上方,且(-m,m)在直線y=x-1下方,解不等式組m<1-2m,1-2m>-m-1m<-m-1,,得m<-. 選C. 4. B. 5. 由f(x+2)=f(x)得函數(shù)的周期是2.由ax+2a-f(x)=0得f(x)=ax+2a,設(shè)y=f(x),y=ax+2a,作出函數(shù)y=f(x),y=ax+2a的圖像,如圖12,要使方程ax+2a-f(x)=0恰有四個(gè)不相等的實(shí)數(shù)根,則直線y=ax+2a=a(x+2)的斜率滿足kAH 6. 作出函數(shù)f(x)的圖像,如圖13,當(dāng)0 7. 令f(x)=x2+2kx-3k,如圖14所示,其圖像與x軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是方程f(x)=0的解,要使兩根都在1,3之間,只需f(1)>0, f(3)>0, f()=f(-k)<0,1<-k<3同時(shí)成立,解得-3 8.由題意,g′(x)=ex-a≥0對一切x∈(-1,+∞)恒成立,所以a≤(ex)min=.令f(x)=0并分離參數(shù)得a=,令h(x)=,則h′(x)=,易知函數(shù)h(x)在(0,e)單調(diào)遞增,在(e,+∞)上單調(diào)遞減,在x=e處有極大值h(e)=.又當(dāng)x→0+時(shí),h(x)→-∞;當(dāng)時(shí)x→+∞,h(x)→0,即直線x=0和y=0(即x軸)是函數(shù)g(x)的兩條漸近線,所以g(x)的大致圖像如圖15.觀察圖像即知:當(dāng)a=或a≤0時(shí),f(x)的零點(diǎn)個(gè)數(shù)為1;當(dāng)0 (作者單位:福建省永定縣城關(guān)中學(xué)) 責(zé)任編校 徐國堅(jiān)